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Metall-3D-Druck SLM-Verfahren ermöglicht konturnahe Werkzeugtemperierung

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Nonnemann hat mit dem Metall-3D-Druck ein neues Geschäftsfeld eröffnet. Mit dem Pulverbettverfahren SLM werden konturnahe Werkzeugtemperierungen möglich. Bauteilqualität und Zykluszeit in der Spritzgussproduktion werden optimiert.

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Vergleich Temperierung links: konventionell / rechts: konturnah
Vergleich Temperierung links: konventionell / rechts: konturnah
(Bild: Nonnemann)

Die Nonnenmann GmbH aus Winterbach hat mit dem Metall-3D-Druck ein neues Geschäftsfeld eröffnet. Ziel dabei ist es, die Möglichkeiten der additiven Fertigung von Werkzeugstahl im Pulverbettverfahren SLM (selektives Laserschmelzen) für die Anforderungen im Werkzeug- und Formenbau anzubieten.

Konturnahe Werkzeugtemperierungen umsetzen

Im SLM-Verfahren werden die Bauteile durch das schichtweise Aufschmelzen von metallischem Pulver generiert. Diese Fertigungstechnologie ermöglicht es, konturnahe Werkzeugtemperierungen umzusetzen und optimiert dadurch die Bauteilqualität und Zykluszeit in der Spritzgussproduktion.

Hierbei bietet Nonnemann ein Komplettpaket an, wobei der Kunde das finale einbaufertige Bauteil erhält. Das heißt, die additive Fertigung und die erforderliche nachträgliche Fertigbearbeitung werden komplett als verlängerte Werkbank übernommen.

Kundenspezifische Fertigbearbeitung

Nonnemann greift bei der kundenspezifischen Fertigbearbeitung auf die langjährige Erfahrung als verlängerte Werkbank für Zeichnungs- und Präzisionsteile zurück.
Der Kunde profitiert von den Vorteilen der additiv-gefertigten Bauteile, ohne dafür selber in teure Maschinentechnologien investieren zu müssen, welche für die Aufgaben im klassischen Werkzeugbau nicht voll ausgelastet wären.
Es werden lediglich vom Kunden die CAD-Daten des finalen Bauteils im STEP-Format benötigt. Nonnemann erzeugt daraus intern die erforderlichen Daten inklusive Aufmaß für den additiven Fertigungsprozess und führt anschließend die einbaufertige Fertigbearbeitung kundenspezifisch nach den Konstruktionsdaten durch. Hierbei bietet das Unternehmen die üblichen Bearbeitungsverfahren im Werkzeugbau Fräsen, Drehen, Flach- und Rundschleifen sowie Draht- und Senkerodieren an.

Die additive Fertigung ist möglich für Bauteile:

  • bis zur maximalen Abmessung von 250x250x300 mm
  • Druckbar ist ein minimaler Temperierkanal von Ø 1 mm
  • Die Schichtdicken im SLM-Fertigungsprozess betragen 0,05 mm
  • Wandstärken müssen mindestens 1 mm betragen

Der Einfluss der Werkzeugtemperierung auf die Qualität

In der Kunststoffverarbeitung hat die Werkzeugtemperierung einen großen Einfluss auf die Bauteilqualität des Spritzgussteils sowie den gesamten Fertigungsprozess und bestimmt dabei die effiziente und wirtschaftliche Fertigung. Aus der Perspektive der Wirtschaftlichkeit sollte die Kühlzeit möglichst kurz sein. Aus technischer Sicht ist die Kühlzeit so lange erforderlich, bis das Bauteil die erforderliche Entformungstemperatur erreicht hat und somit ohne Beschädigungen entformt werden kann. Dafür muss das Werkzeug ausgewogen temperiert sein, da dann eine gleichmäßige Temperaturabführung möglich ist. Inhomogene Temperaturen im Werkzeug führen zu unterschiedlichen Abkühlbedingungen und somit zu lokalen Schwindungsunterschieden am Bauteil.

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Konventionelle vs. konturnahe Temperierung

Eine konventionelle Temperierung, gefertigt durch klassische spanende Bearbeitungsverfahren, besteht aus geradlinigen Rohrkühlbohrungen. Dabei schränkt die Fertigungstechnik die geometrische Freiheit der Temperierkanalanordnung ein. Somit ist die Positionierung nicht (immer) optimal möglich. Außerdem besteht Kollisionsgefahr mit anderen Bauteilen wie zum Beispiel den Auswerfern. Die Folge sind lokale Temperaturerhöhungen im Werkzeug.

Das grundsätzliche Ziel der Temperierung muss daher eine einheitliche Werkzeugwandtemperatur sein. Sie gilt als ein Kompromiss zwischen Produktivität und Qualität des Formteils. Um nun die Zykluszeit bei optimaler Bauteilqualität zu reduzieren, sollte die Werkzeugtemperierung optimiert werden.

Einheitliche Werkzeugwandtemperatur

Dieses Ziel ist durch den Einsatz von konturnaher Temperierung möglich. Dabei folgen die Temperierkanäle der Kavitätskontur, die Anordnung ist der Bauteilkontur angepasst. Auch kleine Kanalquerschnitte dicht unter der Oberfläche sind realisierbar. Die konturnahe Temperierung bewirkt eine einheitliche Werkzeugwandtemperatur, da lokale Temperaturerhöhungen vermieden werden. Daraus resultieren die Vorteile von höheren Kühlleistungen, besserer Bauteilqualität und kürzeren Zykluszeiten, wodurch die Ausschussquote gesenkt und die Ausbringungsmenge pro Werkzeug und Maschine erhöht wird.

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Potentiale der additiven Fertigung in Konstruktionsphase bedenken

Die Freiheit dieser flexiblen Anordnung der Temperierkanäle wird durch die additive Fertigung möglich. Die Bauteilentformung wird ebenfalls optimiert, da der in der Werkzeugkonstruktionsphase bekannte Kompromiss aus Temperierung und Entformung umgangen werden kann. Auswerferpositionen können ideal gesetzt und von der Temperierung „umlaufen“ werden.

Die Potentiale der additiven Fertigung müssen bereits in der Konstruktionsphase bedacht werden. Dafür ist ein Umdenken in der Konstruktion erforderlich, ermöglicht es aber auch, neue Wege zu gehen. Hier sind die Konstrukteure gefragt, das Bauteil auch additiv-fertigungsgerecht zu konstruieren. So sind zum Beispiel bei Schrägen größer als 45° oder Bohrungen größer als 8 mm Stützstrukturen erforderlich und einzukonstruieren.

Zudem gelte es zu beachten, dass nicht alles, was bisher klassisch gefertigt und zerspant wurde, nun auch für den 3D-Druck geeignet ist. Hier muss die teure Fertigungstechnologie zielgerichtet eingesetzt werden, um im folgenden Produktionsprozess von den Vorteilen des additiv-gefertigten Bauteils zu profitieren. Dann ermöglichen additiv gefertigte Formeinsätze und Formkerne eine effizientere Produktion von Spritzgussteilen.

Metallpulver für 3D-Druck optimiert

Als weiteres Highlight und Neuheit auf dem Markt bietet Nonnemann einen neuen korrosionsbeständigen Werkstoff ähnlich 1.2083 zur additiven Fertigung an. Dabei handelt es sich um einen korrosionsbeständigen Werkzeugstahl, welcher auch in der konventionellen Fertigung immer mehr an Beliebtheit gewonnen hat.

Dieser neue Werkstoff hat sehr ähnliche Eigenschaften wie der 1.2083, jedoch ist die Zusammensetzung etwas unterschiedlich, da das Pulver für den 3D-Druck optimiert und angepasst werden musste.

Alleinstellungsmerkmal und Vorteil in der Anwendung ist hier die Korrosionsbeständigkeit, wodurch eine lange Lebensdauer der damit gefertigten Bauteile gewährleistet wird. Beide Materialien lassen sich bei Bedarf beschichten und sind polierbar. Durch Wärmebehandlung erreichen die Werkstoffe eine Arbeitshärte von 48-52 HRC.

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